基于专家规则的水泵循环节能控制模拟系统

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1、摘 要本课题设计了一种基于专家规则的水泵循环节能控制模拟系统，该系统利用水泵模拟水轮机发电。系统在专家规则的思想上进行了软件设计，硬件部分结合软件设计实现改变水流速度，控制液晶显示、流水灯和音乐芯片等模块。硬件电路以STC89C51单片机为核心控制部件，电压驱动型脉宽调制控制集成电路TL494和Buck电路（DC/DC降压式变换电路）为主要开关电源设计模块，水泵、DA转换器DAC0832和音乐芯片等为主要元件。完成硬件设计后，与同组同学编写的软件合为一体进行了联机调试，经过多次修改，完整的实现了液晶显示信息提示按键操作、开关电源控制水泵电压改变水流速度和水能的循环利用。系统设有高速、中速和低速

2、三种工作方式，可通过按键选择不同工作方式，来适应不同的工作需求。整个系统操作简单，易于修改，观赏性强。关键字：STC89C51单片机，DAC0832，TL494，BUCK电路，水泵ABSTRACTAn Energy-saving control system based on expert rules for pump cycle is designed in this essay. This system simulates the hydroelectric turbines by water pump. Its software is devised based on the thoug

3、ht of expert rules, then the hardware combines the software to realize the functions as changing the speed of water, controlling the modules of LCD, water lights and music chip.The center control component of this system is STC89C51RC and the main designed circuits are TL494 and BUCK circuit. The Pu

4、mp, DAC0832 and Music chip are the chief component. When completing the hardware design, we combine the hardware and software together to proceed the online testing. After many changes, this system can achieve all the demands which contain showing information on the LCD, prompting for key operation,

5、 controlling the voltage of the water pump to turn the water speed and water recycling. This system has three working mode，which are high speed, middle speed and low speed. The operation is simple and easy to modify.keywords: STC89C51RC , DAC0832 , TL494 , BUCK目 录第一章 绪论11.1 本课题的背景和意义11.2 国内水轮机现状11.3

6、 水轮机的类型21.4 本课题的内容安排21.5 本章小结2第二章 水泵循环节能控制模拟系统概述及其主要元器件的选择32.1 系统结构概述32.2 电源系统的工作原理42.3 电源系统选择42.3.1 PWM波产生电路选择52.4 DC/DC变换器选择72.4.1 Buck变换器主电路82.4.2 Buck变换器输入、输出电压关系计算92.5 主控芯片的选择102.6 LCD1602液晶显示102.6.1 LCD1602引脚说明112.7 DA转换器选择112.7.1 DAC0832主要性能和内部结构122.7.2 DAC0832的工作方式122.8 运算放大器的选择132.9 音乐芯片142

7、.10专家规则142.10.1 数据库152.10.2 知识库152.10.3 模糊推理机162.11本章小结16第三章 基于专家规则的水泵循环节能控制模拟系统硬件设计173.1 硬件电路设计概述173.1.1 单片机STC89C51RC最小系统173.1.2 DA模块设计183.1.3 电源模块设计193.1.4 LCD1602显示模块设计233.1.5 流水灯模块设计233.1.6 音乐芯片模块设计243.1.7 直流水泵243.2 本章总结24第四章 基于专家规则的水泵循环节能控制模拟系统软件设计254.1 软件设计部分概述254.1.1 软件设计的原则254.1.2 软件设计步骤254

8、.2 软件程序流程图264.2.1 主程序设计264.2.2 LCD1602程序274.3 调用按键子函数流程图284.4 本章小结28第五章 联机调试295.1 系统硬件调试295.1.1 静态调试295.1.2 动态调试295.2 软件调试305.3 整体调试305.4 运行效果展示315.6 本章小结33第六章 结束语346.1 总结346.2 心得体会346.3 展望35致 谢36参 考 文 献37附 录38附录一 设计实物照片38附录二 硬件电路图39第一章 绪论1.1 本课题的背景和意义水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前

9、后，中国就出现了水轮机的雏形水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。做完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。 水泵水轮机主要用于抽水蓄能电站。在电力系统负荷低于基本负荷时，它可用作水泵，利用多余的发电能力，从下游水库抽水到上游水库，以位能形式蓄存能量；在电力系统负荷高于基本负荷时，可用作水轮机，发出电力以调节高峰负荷。因此，纯抽水蓄能电站并不能增加电力系统的电量，但可以改善火力发电机组的运行经济性，提高电力系统的总效率。50年

10、代以来，抽水蓄能机组在世界各国受到普遍重视并获得迅速发展。20世纪以来，水电机组一直向高参数、大容量方向发展。随着电力系统中火电容量的增加和核电的发展，为解决合理调峰问题，世界各国除在主要水系大力开发或扩建大型电站外，正在积极兴建抽水蓄能电站，水泵水轮机因而得到迅速发展。本文设计了一个基于专家规则的水泵循环节能控制模拟系统，利用水泵模拟水轮机发电。在专家的规则的软件设计思想上，结合硬件设计控制水泵水流速度，模拟水轮机抽水蓄能发电的过程。 1.2 国内水轮机现状抽水蓄能电站在电网中的作用越来越受到重视，它不但具有削峰填谷作用，而且具有启停快速和调节灵活的优点。虽然中国抽水蓄能电站的建设起步较晚，

11、但在各有关部门的努力下，目前已投产共11座、总装机572.3万KW的电站，约占我国电力总装机1.8左右。据有关报道，到2010年新增抽水蓄能电站可望超过13座，蓄能机组总装机将达2138万KW，虽然增长速度非常快，但仅占我国电力总装机的34。研究结果表明，蓄能机组应占电网总容量的10较为合理，可见抽水蓄能电站有很大的发展空间。1.3 水轮机的类型水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换。冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与切击式水轮机基本相同，只是射

12、流方向有一个倾角，只用于小型机组。反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。1.4 本课题的内容安排内容：研究基于专家规则水泵循环节能控制系统方案，了解STC89C51单片机的特性、IDE开发环境、基本实验、扩展实验及其使

13、用方法。熟悉芯片各个部分的功能及外加语音芯片控制电路设计。设计51单片机控制的基于专家规则水泵循环节能控制模拟系统硬件电路，与其他同学配合实现基于专家规则水泵循环节能控制系统软件、硬件连机控制，达到观赏效果。任务和要求：1) 查资料，熟悉AT89C51单片机结构和接口设计方法。2) 查阅硬件电路相关元件的功能及工作原理，对控制部分进行硬件电路参数设计。3) 对硬件电路制作Protel原理图。4) 设计单片机控制的水泵循环节能控制模拟系统硬件。5) 对本文的工作进行总结，得出结论，并对本文涉及的内容做出进一步的展望。1.5 本章小结本章介绍了研究水泵循环节能控制模拟系统的目的与意义，简述了目前国

14、内抽水蓄能机组的现状及发展趋势，提出了本文需要完成的主要工作。第二章 水泵循环节能控制模拟系统概述及其主要元器件的选择2.1 系统结构概述本设计模拟了水泵水轮机发电系统中水轮机抽取水能，并且水流冲刷水轮机转轮转动，驱动发电机发电的过程。系统选用直流水泵模拟水轮机抽水蓄能，可使水流循环从高处流下，用风车模拟水轮机转轮被水冲刷转动，驱动发电机发电的过程。系统由硬件和软件两部分组成：硬件部分输入电压为直流30V50V，采用STC89C51单片机为主控芯片，使用直流水泵实现水流循环，利用脉宽调制控制集成电路TL494和BUCK电路控制水流速度，使用LCD1602液晶显示器显示信息和提示操作步骤，音乐芯

15、片以及流水灯等模块丰富系统的功能。软件部分主要是对DAC0832程序的编写，对LCD1602液晶显示程序的编写，对音乐芯片、流水灯以及按键部分程序的编写等。其系统整体结构框图如图2.1所示。STC89C51音乐芯片LCD1602液晶显示按键控制DA流水灯电源系统 电压输入水泵BUCK电路TL494脉宽调制电路图2.1 系统整体结构框图 系统上电开始工作，液晶屏显示制作者信息，提示利用按键选择工作模式，当用户按下按键后，对应的模块开始运行。STC89C51向DA发出数据，电源系统接收DA输出电压，水泵开始工作，水流冲刷风车使之转动。于此同时，音乐芯片、流水灯和LCD1602液晶显示接收单片机的控

16、制，音乐响起，流水灯闪烁，液晶显示当前工作模式，一段时间后，提示更改模式。更改模式后，水流速度变化，音乐提示和流水灯工作方式也相应改变。2.2 电源系统的工作原理 开关模式脉冲宽度调制控制器TL494通过比较差值（指反馈电压与DA输出电压的差）与其引脚上三角波的大小来调整输出脉冲电压的占空比，控制MOS管的开通与关断。当按键通过单片机I/O口改变DA的输入数字量后，DA的输出电压也随之改变，压差值变化，TL494的输出脉冲电压占空比也相应变化，则MOS管的开通关断频率改变，随之BUCK电路的输出电压改变，从而改变水泵抽水速度。电源系统的工作原理如图2.2所示。输出单片机I/O口输入电压BUCK

17、变换电路负载反馈电压TL494脉宽调制电路DA图2.2 电源系统的工作原理2.3 电源系统选择目前常用的直流稳压电源可以分成线性电源和开关电源两类。线性稳压电源。虽然电特性优良，但由于功率调整器件串联在负载回路里，而且工作在线性区，因此功率转换效率比较低。为了提高效率，就必须使功率调整器件处于开关工作状态。而开关电源正是如此，它的功率调整器件作为开关而言，导通时压降很小，几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，所以开关稳压电源转换效率可达80%以上。 因此，本系统电源模块采用开关电源。2.3.1 PWM波产生电路选择开关电源中最重要的就是PWM波控制晶体管的导通和关断。由于本设计要

18、求产生占空比改变的PWM波，所以选择在开关电源中很常见的电压驱动型脉宽调制控制集成电路TL494。采用输出电压为正向电压，单端模式输出，此时TL494的两路输出脉冲完全相同，最大占空比可达到98%。1）电压驱动型脉宽调制控制集成电路TL494TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。2）TL494性能特点：(1) 集成了全部的脉宽调制电路。(2) 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容

19、）。(3) 内置误差放大器。(4) 内置5V参考基准电压源。(5) 可调整死区时间。(6) 内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。(7) 推或拉两种输出方式。图2.3 TL494结构图3）TL494工作原理TL494内部集成了误差放大器、可调振荡器、死区时间控制比较器、脉冲同步触发器、精密基准电源、欠电压锁定比较器以及输出控制电路,其内部原理框图如图2.4所示。图2.4 TL494内部原理框图TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下： （2-1） 输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外

20、两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。它的控制器时序波形图如图2.5所示。图2.5 TL494控制器时序波形图控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。在引脚4上施加不同的电压即可实现对死区时间的调节。当反馈PWM比较器输入端(引脚3)上的电

21、压由0.3V升至3.5V时,PWM比较器的输出信号将使输出脉冲的占空比由死区时间控制输入端确定的最大百分率下降至零。两个误差放大器的开环电压增益为95dB,其允许的共模输人范围为0.3V到(Vcc2V),可用来检测变换器的输出电压和输出电流。两个误差放大器的高电平输出以“或”的关系同时加到PWM比较器的同相输人端上。当定时电容放电时,死区时间比较器的输出端将输出正向脉冲,作为触发器的同步时钟脉冲,其上升沿使触发器动作。该正向脉冲信号同时加到两个或非门的输人端,使输出晶体管VT1和VT2关断。当输出模式控制端(引脚13)与基准电压相连时,触发器的输出将与同步时钟信号一起加到或非门上,使两只输出晶

22、体管轮流导通和截止,即工作在推挽模式下。此时,晶体管输出方波的频率为锯齿波振荡器频率的1/2。如果驱动电流无需很大,且占空比小于50%时,可采用单端工作模式。如果需要较大的驱动电流,可以将两个晶体管并联起来使用。并联后输出驱动电流将增大一倍,集电极输出电流最大可达500mA。注意,在这种工作模式下,引脚13必须接地,使触发器的输出不起作用。此时,输出方波的频率等于锯齿波振荡器的频率。TL494内置的5V基准电源能够向外部偏置电路提供最大10mA的拉电流。该基准电源的精度为5%,温漂低于50mV。2.4 DC/DC变换器选择开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块

23、化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。其具体的电路有以下几类： 1) Buck电路降压斩波器，其输出平均电压小于输入电压，极性相同。 2) Boost电路升压斩波器，其输出平均电压大于输入电压，极性相同。3) Buck-Boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反，电感传输。 4) Cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压,极性相反，电容传输。 由于水泵工作电压为812V，所以系统设计要求输出电压为812V中的三个高低不同电压来作为高速、中速、低速时的输出电压。在

24、本设计中，采用使用降压型DC/DC变换是因为输入电压为30V输入，输出电压小于输入电压。BUCK电路的优缺点如下：1）优点：(1) 电路简单，调整方便，可靠性高；(2) 对功率管及续流二极管耐压的要求低，只要求等于或大于最高输入电压即可；(3) 储能电感在功率晶体管导通时能将电能变成磁能储存起来，而在晶体管截止时，又能将储存的磁能变为电能继续向负载供电，电源带负载能力强，电压调整率好；(4) 储能电感和输出电容组成“”型滤波器，能进一步降低输出电压中的纹波成分。2）缺点：(1) 在这种电路中，功率晶体管和负载是直接与整流电源串联，故万一晶体管被击穿短路时，负载两端的电压便升高到整流电源电压，负

25、载因承受过电压而损坏；(2) 这种电路机架和交流电网之间为直接连接，没有电的隔离。2.4.1 Buck变换器主电路Buck变换器：当负载及电网电压变化时，可以通过闭合的反馈控制回路自动地调整占空比来使输出电压维持不变。由于占空比q小于1，其输出电压始终小于输入电压，因此这种电路也称为降压型DC/DC变换器主电路。 图2.10 BUCK变换器主电路BUCK主电路是由功率晶体管VT（简称晶体管）、电感L、二极管VD、电容C和负载电阻R组成。其中晶体管VT起到开关作用；电感L为储能的作用；电容C是为了降低输出电压的脉动而加入的，起滤波作用；二极管VD起续流作用。当晶体管截止时，二极管提供一条通路，使

26、储能电感L中的电流能继续流通。此二极管是必不可少的元件，如果无此二极管，BUCK电路不仅不能正常工作，还会在储能电感两端感应出很高的自感电动势，击穿功率晶体管和损坏其他元件。 输入端电压为直流电压，晶体管基极加一个周期为T的方波信号（此方波信号由TL494电路提供）。当方波信号为高电平时，晶体管VT导通，续流二极管VD因反偏而截至，晶体管的集电极电流便通过储能电感L向负载电阻R供电，并同时向滤波电容C充电。此时储能电感L处于储能状态（电能转换成磁能）。当方波信号为低电平时，晶体管截至。由于通过储能电感L的电流不能突变，所以在它两端便感应出一个左负右正的自感电势，使续流二极管导通。此时储能电感L

27、便把原先储存的磁能转换成电能供给负载电阻R。2.4.2 Buck变换器输入、输出电压关系计算在计算时，对电路进行简化，假定开关晶体管、二极管均是理想元件，电容电感均为理想元件，输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到可以忽略。在输入输出不变的前提下，由图2.10可知，当晶体管VT导通时，电流电感平均值 ,电感电流线性上升增量为： (2-2)式中，为开关接通时间占空比，为开关周期。当晶体管VT截止时，电流增量为： (2-3)由于稳态时，这两个电流变化量相等，即，所以= (2-4)又因为,整理得： (2-5)式中，称为脉冲占空比。由于1，所以。改变占空比，输出电压的平均值也随之改变。2.5 主控芯

28、片的选择STC89C51RC是新一代抗干扰，高速，低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机， 12个时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。所以选择STC89C51单片机作为主控芯片。2.5.1 STC89C51单片机性能：1) 89C51核心处理器单元2) 4个8位I/O口3) 3V/5V工作电压，操作频率033MHz（STC89LE516AD最高可达90MHz）；5V工作电压，操作频率040MHz 4) 大容量内部数据RAM：1K字节RAM 5) 64/32/16/8kB片内Flash程序存储器，具有在应用可编程(IAP) ,在系统可编程(ISP)，可实现远程软件升级，无

29、需编程器 6) 支持12时钟(默认)或6时钟模式 7) 双DPTR数据指针8) SPI(串行外围接口)和增强型UART 9) PCA(可编程计数器阵列)，具有PWM的捕获/比较功能 10) 4个8位I/O口，含3个高电流P1口，可直接驱动LED 11) 3个16位定时器/计数器12) 可编程看门狗定时器(WDT)13) 兼容TTL和COMS逻辑电平 14) 掉电检测和低功耗模式等 图2.11 STC89C51引脚图15) 低EMI方式(ALE禁止)2.6 LCD1602液晶显示显示电路采用LCD1602液晶显示，分别显示制作者信息，当前工作模式和提示用户操作。LCD1602特性如下： 1) 显

30、示容量为32个字符，每个字符为5*7点阵，分2行，每行16列2) 芯片工作电压为4.5-5.5V3) 工作电流为2mA（5.0V）4) 模块最佳工作电压为5.0V5) 字符尺寸为2.95*4.35（W*H）mm1602外观如图所示：图 2.14 1602液晶显示模块2.6.1 LCD1602引脚说明VSS：接地端；VDD：电源正极，4.55.5V，通常使用5V电压； VL：LCD对比度调节端，电压调节范围为05V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；RS：MCU写入数据或者指令选择端。M

31、CU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；R/W：读写控制端。R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据；EP：LCD模块使能信号控制端。写数据时，需要下降沿触发模块；D0D7：8位数据总线，三态双向。BLA：LED背光正极。需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；BLK：LED背光地端。2.7 DA转换器选择DA转换器在本电路中的作用是输出一个可以变化的电压值，和反馈电压进行比较。DAC0832是最常见的一种8位双缓冲器D/A转换器。芯片内带有资料锁存器，可与数据总线直接相连。电路有极好的温度跟随性，

32、使用了COMS电流开关和控制逻辑而获得低功耗、低输出的泄漏电流误差。芯片采用R-2RT型电阻网络，对参考电流进行分流完成D/A转换。因此本电路选择DAC0832作为DA转换器，采用单缓冲方式。2.7.1 DAC0832主要性能和内部结构主要性能参数：分辨率8位； 转换时间1s;参考电压10V；单电源+5V+15V；功耗20mW。DAC0832的内部结构如图2.15所示。DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号。因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数

33、字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。图2.15 DAC0832内部结构2.7.2 DAC0832的工作方式DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。具体地说，就是使和都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、处于低电平，这样，当端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。就是使和为低电平，I

34、LE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当和端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。根据上述对DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3种工作方式：1) 单缓冲方式。单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出。2) 双缓冲方式。双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出。3) 直通方式。直通方式是资料不经

35、两级锁存器锁存，即，均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。在本设计中，采用单缓冲方式，一路输出。2.8 运算放大器的选择运算放大器在本电路中的作用是将DA输出的电压反向并放大。本设计中采用LM324系列运算放大器。LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可用正电源330V，或正负双电源15V15V工作。LM324的特点如下：1) 短跑保护输出 2) 真差动输入级 3) 可单电源工作：3V-32V。 4) 低偏置电流：最大100nA（LM324A）。 5) 每封装含四个运算放大器

36、。 6) 具有内部补偿的功能。 7) 共模范围扩展到负电源。 图2 .16 LM324引脚图8) 行业标准的引脚排列。 9) 输入端具有静电保护功能。 2.9 音乐芯片音乐芯片是一种比较简单的语音电路，它通过内部的振荡电路，再外接小量分立元件，就能产生各种音乐信号，音乐芯片是语音集成电路的一个重要分支，目前广泛用于音乐卡、电子玩具、电子钟、电子门铃、家用电器等场合。音乐芯片由以下几个部分组成：逻辑控制电路、振荡器、地址计数器、音符节拍存贮器（ROM）、音阶发生器、输出驱动器。本设计中使用了音乐芯片TS-088B系列。这个系列的音乐芯片基准电压为3V，按键给出脉冲，音乐芯片接受脉冲发出信号，信号

37、经三极管放大后由喇叭播出。它的接线图如图2.17所示。2.17 TS-088B接线图2.10专家规则从本质上讲，专家系统是一类包含着知识和推理的智能计算机程序，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的问题。专家系统是人工智能中最重要的也是最活跃的一个应用领域，它实现了人工智能从理论研究走向实际应用、从一般推理策略探讨转向运用专门知识的重大突破。发展专家系统的关键是表达和运用专家知识，即来自人类的并已被证明对解决问题有关领域内的典型问题是有用的事实和过程。本文应用的是模糊专家控制系统，包括综合数据库、知识库(规则库)和模糊推理机三个主要部

38、分，功能是根据按键设定输出的电压值和系统测量所得到的当前电压值等参数经过模糊推理从而决定采用何种措施保持水流速度维持在合适的范围内。2.10.1 数据库 数据库是用来存放推理的初始证据、中间结果以及最终问题等的工作存储器（Working Memory）。推理机根据数据库的内容从知识库中选择合适的知识进行推理，然后又把推理结果存入数据库中，同时又可以记录推理过程中的有关信息。2.10.2 知识库知识库：知识库是知识的存储器，用于存储领域专家的经验性知识以及有关的事实、一般常识等。知识库中的知识来源于知识获取机构，同时它又为推理机构提供求解而难题所需的知识。本设计中，知识库的主要功能是存储和管理水

39、泵循环控制中事先总结的专家水平的知识条目，一部分知识为实时采集的电压值以及校正系数等，以框架结构组织在一起，形成数据库；另一部分知识为采用模糊推理规则表示的推理知识。模糊规则表示为“ifthen”条件语句，更清楚的表示是对多个变化条件的前提经推理产生一个决策结果。在应用中，通常将采用的模糊规则用模糊控制规则表的形式表示出来。假定本设计中当前电压对目标电压的偏差与当前检测的电压的取值范围都设定在-6，+6，把-6，+6变化的连续量分为七个档次，每一个档次对应一个模糊集，使模糊化过程简单化处理。如果论域选为-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，在其上定义七个语

40、言变量值：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，分别用NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB表示。这时习惯上将具有最大隶属度“1的元素取为-6，-4，-2，O，+2，+4，+6，这样离散化了的精确量与表示模糊语言的模糊量建立了关系，就可以将-6，+6之间的任何整数精确量用模糊量表示。可表示为：“NB”=电压偏差-6， -4、“NM”=电压偏差-6，-2、“NS”=电压偏差-4，0、“Z0”=电压偏差-2，2、“PS”=电压偏差0，4、“PM”=电压偏差2，-6、“PB”=电压偏差4，6。E表示当前电压，EC表示当前电压对目标电压的偏差。模糊规则控制如表2. 2所示。表2.2对电压U的模糊控

41、制规则表 U EC ENBNMNSZ0PSPMPBNBPBPBPBPBPMZ0Z0NMPBPBPBPBPMZ0Z0NSPMPMPMPMZ0NSNSZ0PMPMPSZ0NSNMNMPSPSPSZ0NMNMNMNMPMZ0Z0NMNBNBNBNBPBZ0Z0NMNBNBNBNB为方便起见，一般按自左到右，自上到下的顺序编好解释其规则。表2. 2中两个输入E和EC各有7个模糊语言变量，由此生成49条模糊规则。现列举几条：Rule1: if E is NB and EC is NB then U is PBRule12: if E is NM and EC is PS then U is PMRule

42、37: if E is PM and EC is NM then U is Z02.10.3 模糊推理机推理机是专家系统的“思维”机构，实际上是求解问题的计算机软件系统。其主要功能是协调、控制系统，决定如何选用知识库中的有关知识，对用户提供的证据进行推理，求得问题的解答或证明某个结论的正确性。推理机的运行有正向推理、反向推理和双向推理等不同的控制策略。2.11本章小结本章主要是对设计基于专家规则的水泵循环节能控制模拟系统硬件电路中电子元器件的选择做出说明。主控芯片采用STC89C51，利用TL494和BUCK电路进行水流的控制，DAC0832传送数据，LCD1602显示信息，音乐芯片以及流水灯

43、等丰富系统的功能。简述了人工智能中专家规则这个分支，并和水泵循环相联系，利用专家规则，构建模糊规则控制表，写出了模糊控制语句。第三章 基于专家规则的水泵循环节能控制模拟系统硬件设计3.1 硬件电路设计概述硬件电路包含了单片机的最小系统电路、DA模块电路、电源模块电路、LCD1602显示模块电路、流水灯模块电路以及音乐芯片模块电路等共6个模块。采用由零到整的设计思想，分模块设计了各个部分。3.1.1 单片机STC89C51RC最小系统STC89C51单片机最小系统（控制部件）由+5V供电，包括了复位电路和时钟晶振电路等。单片机的最小系统功能是先以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然

44、后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的操作，用来协调单片机内部各功能部件之间的数据传输，数据运算等操作。其中，P0口为LCD1602液晶显示器的数据输入口，P1口为DAC0832的八位地址端口，P2口控制流水灯闪烁，P3.3P3.5分别为LCD1602液晶显示器的MCU写入数据或者指令选择端、读写控制端和LCD模块使能信号控制端，P3.0P3.2为按键的中断入口。 其最小系统电路图如图3.1所示。图3.1 最小系统图3.1.2 DA模块设计图3.2 DAC0832接线图DA模块在整体硬件电路中的作用是输出可变的电压并和反馈电压进行比较。因为只有一路模拟量输出，所以设计DAC0832的工作模式

45、为单缓冲方式。单缓冲方式是指控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。在此采用第二种方式的接法，将和都接为低电平，使DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，将输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、处于低电平，这样，当端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。将接在低电平上，则可一直转换单片机发出的数字量。DAC0832为电流型DA转换器，输出模拟量与输入数字量成正比。数字量由单片机输入。在DAC0832的输出端（12脚和11脚）接入运算放大器，第一个运放的作用是将电流转换为电压输出，第二个运放的作用是反向与放大。DAC0832输入数字量与

46、输出电流和一级输出电压值的关系为： （3-1） （3-2）一级输出电压值和二级输出电压值的关系为： （3-3）在本电路中，=5V。由上可知，当系统为高速模式时，设定数字量为0XF6(246)，则的大小为：V （3-4）当系统为中速模式时，设定数字量0XE3(227)，则的大小为8.87V。当系统为高速模式时，设定数字量0XCE(206)，则的大小为8.05V。实测数据与计算值对比：表3.1 DA实测数据与计算值对比模式高速中速低速计算值（V）9.618.878.05实测值（V）9.288.727.95误差0.330150.103.1.3 电源模块设计 1) TL494模块设计TL494是电压驱

47、动型脉宽调制控制集成电路，在本整体硬件电路中的作用是输出一个频率不变，占空比可改变的方波。设计TL494的工作方式为输出正向电压，单端模式输出，即将引脚13接地,使触发器的输出不起作用，并将TL494的两个晶体管并联起来使用，并联后输出驱动电流将增大一倍,集电极输出电流最大可达500mA，输出方波频率等于锯齿波振荡器的频率。当TL494输出高电压时，MOS管（IFR540）导通，将BUCK电路中的MOS管（IFR9532）栅极电位拉低，MOS管（IFR9532）导通，BUCK电路工作。图3.4 TL494接线图如图3.4所示，DA端接DAC0832输出端，Vfb为负载反馈电压，这两端电压差值的

48、大小与电容上的三角波进行比较，输出PWM波。差值越大，PWM波的占空比越小，差值越小，PWM波的占空比越大。Vq输出方波控制BUCK电路中MOS管的开通和关断。在引脚3与引脚2之间接入了比例积分调节器，构成反馈网络。由公式（2-1）可知，TL494内置振荡器工作频率和周期分别为：。实际测得，定时电容上的波形如图3.5所示。图3.5 定时电容波形由于TL494的基准电压（DA电压）和反馈电压大小基本相同，反馈电压是由输出电压经过1:9的电阻分压得到（反馈电压见Buck电路），系统的输出电压即负载电压的计算公式如下： （3-5）当基准电压（DA电压）和反馈电压基本相同时，误差放大器1工作在线性区，

49、此时误差放大器输出的是电压信号而不是电平信号，既不是低也不是高。由于TL494输出的只是驱动信号，通过开关的电流有限（最大500mA），因而功率有限。并且TL494的工作电压范围有限，所以加入BUCK电路，可有效的提高系统的输入电压范围和输出功率。2) BUCK电路模块设计BUCK电路在整体硬件电路中的作用是接受TL494发出的PWM波，输出随PWM波变化的电压，并且加宽系统输入电压范围和提高输出功率，以驱动更大的负载。本设计电路中，BUCK电路的工作方式是电感电流连续工作模式，即电感电流在周期开始时不从零开始。图中的稳压电路7812是用来提供TL494的12V工作电压。Buck电路的理想输入

50、电压为30V至无穷大，由于在输入端加入50V/47u的电容保护，所以本电路的输入电压为30V50V之间。电源正极输入端并联起到保护作用的功率电阻和稳压管，二极管使用肖特基二极管LN5819。肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件，其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。使用1：9的电阻分压，则反馈电压为输出电压的9/10。输出端再并联电容，进一步降低输出电压的纹波，保护负载水泵。图3.3 BUCK电路接线图由公式（2-5）可得，输出电压的大小为： (2-5)由公式（3-5）可知，。占空比q由TL494电路提供，且=30V

51、，DA的电压值可由表3.1.2得到。所以高速时，占空比D和输出电压值分别为：V同理可计算出中速与低速模式下的理想输出电压和实际占空比。高速中速低速时的计算输出与实际测得和占空比的关系如下表所示。表3.2 计算、实测值与占空比关系模式高速中速低速实际占空比0.3490.3230.293计算值（V）10.319.698.83实测值（V）10.469.698.80误差（V）0.1500.03若水泵的功率变大，则可通过增加DA模块的输出电压或改变BUCK电路的参数来改变BUCK电路输出电流的大小。由于本系统模拟的是大功率的水轮机发电，而在实际运行的过程中，由于经费和其它各个方面条件的限制，系统中所使用

52、的是小功率的水泵，所以该开关电源的效率并不是很高。在大功率电路中，开关电源效率是比较高的。3.1.4 LCD1602显示模块设计图3.6 LCD1602接线图如图3.6所示，P0口为LCD1602的数据口，P3.3、P3.4和P3.5分别为数据命令选择口RS、读写口RW和使能口E。LCD1602的1脚接地，2脚接电源，3脚接到一个10K的电位器上，可调节液晶显示屏的对比度，避免屏幕出现“鬼影”现象或屏幕亮度不够。系统上电后，LCD1602即开始工作。分两行显示“designed by FXJ and KQ”，之后进入模式选择，根据用户按下的按键显示不同的速度模式。用户选择模式后，显示当前模式并

53、在一段时间后提示更改模式。3.1.5 流水灯模块设计图3.7流水灯接线图流水灯的控制端口为P2口。高速时，流水灯左移。中速时，流水灯闪烁。低速时，流水灯右移。3.1.6 音乐芯片模块设计图3.8音乐芯片接线图音乐芯片模块在整体硬件电路中的作用是发出音乐提示在高速和低速模式下分别驱动对应的音乐芯片。接在音乐芯片上的三极管8050是用来放大音乐芯片的信号，只有放大后喇叭才能放出声音，另外一个三极管8050接到+3V电源上，起到为音乐芯片提供工作电压的作用。该三极管的射极接音乐芯片的1脚，基极接单片机IO口，集电极接+3V电压。当IO口给高电平时，集电极与射极导通，音乐芯片1脚得到高电压，音乐芯片开

54、始工作。3.1.7 直流水泵本设计中采用直流水泵实现水流的循环使用。水泵的工作电压为812V，功率为1.2W。3.2 本章总结本章设计了单片机的最小系统电路、DA模块电路、电源模块电路、LCD1602显示模块电路、流水灯模块电路和音乐芯片模块等6大部分电路并出了各个模块的硬件连接图。整体硬件电路正是由这6大部分电路组成，在各个模块调试成功后整体综合再次调试，最后与软件结合，联机调试，经过多次调试，完整的实现了功能。第四章 基于专家规则的水泵循环节能控制模拟系统软件设计4.1 软件设计部分概述程序设计采用C语言，在Keil软件中进行软件调试，分别调用了DA数据输入程序、按键程序、显示程序和音乐芯

55、片程序。4.1.1 软件设计的原则1) 实时性：由于水泵循环节能控制模拟系统是实时监测系统，因此软件首先要具有实时性。即能够在对象允许的时间完成对系统的计算、处理和控制。因此应使程序尽量简单、紧凑、避免不应有的浪费。2) 针对性：针对每一个模块应有一个具体的要求。3) 灵活性和通用性：在程序设计时采用模块化结构，并把通用的部分编写成子程序，易于设计和修改。这样不仅针对性强，而且有一定的灵活性和通用性，在稍加改变后就能适应不同系统的要求。4) 可靠性：只有在硬、软件都非常可靠的情况下，系统才能可靠地正常运行。因此，针对每个部分分别设计一个诊断程序，使其对系统硬、软件能够进行检查，一旦发现错误可及

56、时处理。4.1.2 软件设计步骤在程序的编写过程中，采用结构化的程序设计方法，即任何程序逻辑都可以用顺序、选择和循环等三种基本结构来表示。结构化程序的设计过程分为三个基本步骤：分析问题（Question）、设计算法（Algorithm）以及编写程序（Arogram），简称QAP方法。第一步：分析问题。就是对问题进行定义与分析，确定要进行产生和需要输入的数据，定义输入输出的变量并研制一种算法，从有限步的输入中获取输出。第二步：设计算法：设置程序的结构，并画出程序的流程图。第三步：编写程序。4.2 软件程序流程图4.2.1 主程序设计主程序流程图如图4.1所示。图4.1 主程序流程图当系统开始工作

57、后，液晶显示制作者信息，后根据选择按键的不同，进入不同的工作模式下，液晶显示当前工作模式，流水灯和音乐芯片也相应工作在不同的模式下。本设计中，只有高速与低速有音乐，中速无。4.2.2 LCD1602程序LCD1602程序流程图如图4.6所示。上电后，首先LCD1602进行初始化，接下来显示第一页的内容（即制作者信息），然后显示第二页内容（即提示用户操作），当用户按下按键后，显示与按键部分相关的内容。图4.6 LCD1602程序流程图4.3 调用按键子函数流程图调用按键子函数流程图如图4.7所示。图4.7 调用按键子函数流程图 三个按键分别对应了高速、低速和中速三种工作模式，当用户按下不同按键后

58、，调用该按键对应的子程序。在确认按键按下的过程中，循环扫描一段时间，以消除抖动可能带来的误差。4.4 本章小结本章是关于水泵循环节能控制模拟系统的软件设计部分，与同组同学合作设计了主程序、按键程序、流水灯程序及显示程序等主要的程序部分，并给出了主程序、LCD1602程序以及调用按键子函数的流程图。第五章 联机调试联机调试对于一个系统是否能够正常运行来说至关重要。联机调试也是花费时间最多的一个环节。硬件部分调试见本章5.1节所述，调试好的的硬件与同组同学设计的软件结合起来，经过多次联机调试，完整的实现了系统的要求。5.1 系统硬件调试硬件调试是利用51最小开发板以及现有的工具对系统硬件进行测试，

59、通过执行某一部分程序来测试硬件是否工作正常，并根据相应的测试结果调整硬件电路。硬件调试可分为静态调试与动态调试两部分。5.1.1 静态调试1）排除元器件损坏故障：这类故障如果不注意，将造成很大的影响。元器件损坏有可能是买回来时就是坏的，也有可能是在使用的过程中损坏。因此，在焊接时可同时根据元件器的不同测试方法检测元器件的好坏，将坏的换成好的。另外，当电路运行后，若没有合理的结果输出，应再一次检查元器件是否被烧坏，思考损坏原因，修改电路图后再使用元器件。2）排除焊接和连线错误故障：这类故障应在最开始检查电路板时进行，可避免许多麻烦。排除焊接错误的方法是对照焊接电路图，使用万用表的二极管档位，一条

60、一条线路的检查，当发现虚焊时，立刻重新焊接。排除连线错误的方法在排除焊接错误的同时进行，发现线路未焊时，立刻连接。3）接地故障：这类故障在设计和焊接时是最容易忽略的地方。在焊接的过程中，若使用了多个电路板，应注意将每个板子的接地端连在一起，否则极易工作不正常。在上电后，用万用表电压档测试每个芯片的接地端和接电压端，当电压极性正确并处于正常的工作范围即可。5.1.2 动态调试动态调试是指在系统工作时进行的调试，一般的方法是由零到整。由零到整是指先调试各个分开的模块，当各模块都运行正常后再整合到一起进行调试。在测试零散的模块时，可在焊接好该模块时进行，将该模块与其他模块相连的部分分开，进行调试，最

61、好是焊好一个模块就调试一个模块。在测试整体电路时，不只要测试输出是否为一个合理的结果，还要测试各个模块的工作状况如何。由零到整，可以很快的发现问题的所在，尽快的解决问题。利用51最小系统的IDE开发环境，可以很方便的利用不同的程序测试电路各模块及整体的效果。5.2 软件调试软件调试是通过对程序的编译、链接、执行来检测程序的语法错误与逻辑错误。软件调试的方法与硬件动态调试的方法很类似，同样是由零到整。先编译、链接、执行各个模块的程序，当与硬件结合无误后，再将各模块整合为一个整体，再次编译、链接、执行，查看运行结果。图5.1为系统软件调试图。图5.1 软件调试图5.3 整体调试整体调试是指将硬件与软件完全结合起来进行调试。在调试的过程中，发现了如下几个问题。1）TL494电路的输出不理想，经过检查后发现为反馈网络效果不好，所以TL494的3脚波形震荡很大，在改变反馈网络的参数后，震